Entropía y vida Exposición

Exposición entropía y vida

La segunda ley de la termodinámica es la ley del aumento de la entropía, lo que significa un aumento del caos. Esta nos permite determinar si un proceso dado es posible; es decir, un proceso que disminuya dSuniv no puede ocurrir, pero uno que aumente dSuniv es posible e irreversible.

Sistema en equilibrio: se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas determinadas condiciones de entorno. Pero también tenemos sistemas fuera de equilibrio en los que ocurre una reacción química o un transporte de materia entre dos fases.

Los organismos vivos son sistemas en los que ocurren procesos constantemente, es decir, los organismos no están en equilibrio. No es de extrañar que este hecho haya puesto, desde hace mucho tiempo, una inquietud sobre la relación de los sistemas biológicos y la segunda ley.

Esa pregunta es ¿los procesos de la vida violan la segunda ley? Para analizar esto, comenzaremos con algunos aspectos importantes para tener en cuenta:

La relación 𝛥𝑆≥0 es aplicable sólo a sistemas cerrados y térmicamente aislados de su entorno. Pero los organismos vivos son sistemas abiertos ya que estos toman y expelen materia y por supuesto, intercambian calor con el exterior. De acuerdo con la segunda ley 𝛥𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡+𝛥𝑆𝑒𝑛𝑡 ≥0 para un organismo, pero 𝛥𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡 puede ser positivo, negativo o cero.

Cualquier reducción en Ssist, de acuerdo con la segunda ley, debe compensarse con un aumento de Salr al menos tan grande como la magnitud de la reducción de Ssist. Por ejemplo, durante el congelamiento de agua al estado más ordenado del hielo, Ssist disminuye, pero el flujo del calor del sistema a los alrededores incrementa Salr.

El cambio en la entropía en un sistema abierto se puede analizar de la siguiente manera. Sea dSsist el cambio de entropía de cualquier sistema (abierto o cerrado) durante un intervalo infinitesimal dt. Sea dSi el cambio de entropía del sistema debido a procesos que ocurren enteramente en el interior del sistema durante dt. Sea dSe el cambio de entropía del sistema debido a intercambios de energía y materia entre el sistema y los alrededores durante dt.

Cambios internos del sistema: podemos considerar a este como si fuera un sistema aislado de su entorno, por lo que se puede deducir que dSi  > 0. El estado de un organismo vivo plenamente desarrollado se mantiene aproximadamente igual de un día a otro. El organismo no está en un estado de equilibrio, pero sí cercano a un estado estacionario. Los procesos internos de reacción química, difusión, flujo sanguíneo, etc., son irreversibles; por tanto, dSi>0 para el organismo. Así, dSe debe ser negativa para compensar la dSi positiva.

Se puede dividir dSe en dos términos:  intercambio de calor con los alrededores, intercambio de materia con los alrededores.

El signo de q, y por ende el signo de esa parte de dSe, puede ser positivo o negativo, dependiendo si los alrededores están más calientes o más fríos que el organismo.

Ahora bien, en la parte de dSe que se debe al intercambio de materia está relacionada con el hecho de que el organismo ingiere moléculas grandes altamente “ordenadas”, como proteínas, almidón y azúcares, cuya entropía por unidad de masa es baja. El organismo excreta productos de desecho que contienen moléculas más pequeñas menos “ordenadas”, cuya entropía por unidad de masa es alta. Así, la entropía de la ingesta de alimentos es menor que la entropía de los productos excretados devueltos a los alrededores; esto mantiene a dSe negativa. El organismo desecha materia con un contenido de entropía mayor que el de la materia que ingiere, por lo que cede entropía al ambiente para compensar la entropía producida en procesos internos irreversibles. Schrödinger formulaba en el libro sus conclusiones en el sentido de que la vida no es ajena ni se opone a las leyes de la termodinámica, sino que los sistemas biológicos conservan o amplían su complejidad y su orden interno exportando la entropía que producen sus procesos.

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